Java NIO学习使用

在Java1.4之前的I/O系统中，提供的都是面向流的I/O系统，系统一次一个字节地处理数据，一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据，面向流的I/O速度非常慢，而在Java 1.4中推出了NIO，这是一个面向块的I/O系统，系统以块的方式处理处理，每一个操作在一步中产生或者消费一个数据库，按块处理要比按字节处理数据快的多。
在NIO中有几个核心对象需要掌握：缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）。
缓冲区Buffer
缓冲区实际上是一个容器对象，更直接的说，其实就是一个数组，在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的； 在写入数据时，它也是写入到缓冲区中的；任何时候访问 NIO 中的数据，都是将它放到缓冲区中。而在面向流I/O系统中，所有数据都是直接写入或者直接将数据读取到Stream对象中。
在NIO中，所有的缓冲区类型都继承于抽象类Buffer，最常用的就是ByteBuffer，对于Java中的基本类型，基本都有一个具体Buffer类型与之相对应，它们之间的继承关系如下图所示：

Buffer.png

使用示例：

    public static void start() {
        
        /**
         * 分配新的int缓冲区，参数为缓冲区容量
         * 新缓冲区当前位置为零，其界限(限制位置)将为其容量
         * 它将具有一个底层实现数组，其数组偏移量将为零。
         */
        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(8);
        // buffer.capacity()获取buffer的缓冲区长度
        for(int i = 0; i < buffer.capacity(); i++){
            int j = 2 * (i + 1);
            // 将给定整数写入此缓冲区的当前位置，当前位置递增
            buffer.put(j);
        }
        
        // 重设此缓冲区， 将限制设置为当前位置，然后将当前位置设置为0
        buffer.flip();
        
        // 查看在当前位置和限制位置之间是否有元素
        while(buffer.hasRemaining()){
            // 读取此缓冲区当前位置的整数，然后当前位置递增
            int j = buffer.get();
            System.out.println(j);
        }
        
    }

打印结果：

2
4
6
8
10
12
14
16

通道Channel
通道是一个对象，通过它可以读取和写入数据，当然了所有数据都通过Buffer对象来处理。我们永远不会将字节直接写入通道中，相反是将数据写入包含一个或者多个字节的缓冲区。同样不会直接从通道中读取字节，而是将数据从通道读入缓冲区，再从缓冲区获取这个字节。
在NIO中，提供了多种通道对象，而所有的通道对象都实现了Channel接口。它们之间的继承关系如下：

0_1310888420STkI.png

使用NIO读取数据
在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 将数据从Channel读取到Buffer中
    下面是一个简单的使用NIO从文件中读取数据的例子：
    public static void readFile() throws IOException {
        // 创建文件输入流
        FileInputStream fis = new FileInputStream("E:\\test.txt");
        // 获取通道
        FileChannel fc = fis.getChannel();
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 读取到缓冲区
        fc.read(buffer);
        buffer.flip();
        
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int i = 0;
        while(buffer.remaining() > 0){
            byte b = buffer.get();
            bytes[i++] = b;
        }
        System.out.println(new String(bytes,"UTF-8"));
        fis.close();
    }

打印结果：

?在前面我们说过，任何时候读取数据，都不是直接从通道读取，而是从通道读取到缓冲区。所以使用NIO读取数据可以分为下面三个步骤：
从FileInputStream获取Channel
创建Buffer
将数据从Channel读取到Buffer中

使用NIO写入数据
使用NIO写入数据与读取数据的过程类似，同样数据不是直接写入通道，而是写入缓冲区，可以分为下面三个步骤：

  1. 从FileInputStream获取Channel
  2. 创建Buffer
  3. 将数据从Channel写入到Buffer中

下面是一个简单的使用NIO向文件中写入数据的例子：

    public static void writeFile() throws IOException {
        // 要写入的数据
        final byte message[] = { 83, 111, 109, 101, 32,  
                98, 121, 116, 101, 115, 46 }; 
        // 创建输出流
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("E:\\test1.txt");
        // 获取通道
        FileChannel fc = fos.getChannel();
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        
        for(int i = 0; i < message.length; i++){
            buffer.put(message[i]);
        }
        
        buffer.flip();
        
        fc.write(buffer);
        
        fos.close();
        
    }

写入结果:


test1.png

NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序
使用NIO中非阻塞I/O编写服务器处理程序，大体上可以分为下面三个步骤：

  1. 向Selector对象注册感兴趣的事件
  2. 从Selector中获取感兴趣的事件
  3. 根据不同的事件进行相应的处理

Server端：

public class NioServer {
    /**
     * 监听的端口
     */
    private static final int PORT = 8001;

    /**
     * 1. 注册事件 
     * 创建了ServerSocketChannel对象，并调用configureBlocking()方法，配置为非阻塞模式，
     * 接下来的三行代码把该通道绑定到指定端口，最后向Selector中注册事件，此处指定的是参数是OP_ACCEPT，
     * 即指定我们想要监听accept事件，也就是新的连接发 生时所产生的事件，对于ServerSocketChannel通道
     * 来说，我们唯一可以指定的参数就是OP_ACCEPT。
     * @throws IOException 
     */
    public Selector getSelector() throws IOException {
        // 创建Selector
        Selector selector = Selector.open();
        
        // 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式
        ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
        server.configureBlocking(false);
        
        // 绑定通道到指定的端口
        ServerSocket socket = server.socket();
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(PORT);
        socket.bind(address);
        
        // 向Selector中注册感兴趣的事件
        server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        
        return selector;
    }
    
    /**
     * 2. 开始监听
     * 在非阻塞I/O中，内部循环模式基本都是遵循这种方式。首先调用select()方法，该方法会阻塞，
     * 直到至少有一个事件发生，然后再使用selectedKeys()方法获取发生事件的SelectionKey，
     * 再使用迭代器进行循环。
     */
    public void listener(Selector selector) {
        try{
        while(true){
            // 该调用会阻塞，知道至少有一个事件发生
            selector.select();
            // 当有事件可用的时候
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            // 遍历结合键
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                process(selector,key);
            }           
        }
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }

    /**
     * 3. 根据不同的事件做处理
     * @param selector 
     * @param key
     * @throws IOException 
     */
    private void process(Selector selector, SelectionKey key) throws IOException {
        // 接受请求
        if (key.isAcceptable()) {
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel channel = server.accept();
            channel.configureBlocking(false);
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        }
        // 读信息
        else if (key.isReadable()) {
            System.out.println("读信息");
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int count = channel.read(buffer);
            if (count > 0) {
                buffer.flip();
                System.out.println(count);
                byte[] bytes = new byte[1024];
                int i = 0;
                while(buffer.remaining() > 0){
                    byte b = buffer.get();
                    bytes[i++] = b;
                }
                System.out.println(new String(bytes,"UTF-8"));
            }else {
                channel.close();
            }
            buffer.flip();
            buffer.clear();
        }
        // 写数据
        else if (key.isWritable()) {
            System.out.println("写数据");
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
//          String name = (String) key.attachment();
            byte[] bytes = "hello".getBytes("UTF-8");
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            System.out.println(bytes.length);
            for(int i = 0;i < bytes.length;i++){
                buffer.put(bytes[i]);
            }
            buffer.flip();
            channel.write(buffer);
        }
        
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NioServer nioServer = new NioServer();
        Selector selector = nioServer.getSelector();
        nioServer.listener(selector);
    }
    
}

Client端：

public class NioClient {
    
    /**
     * 连接的端口
     */
    private static final int PORT = 8001;

    /**
     * 1. 注册事件 
     * @throws IOException 
     */
    public void start() throws IOException {
        // // 创建可选择通道，并配置为非阻塞模式
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();             
        socketChannel.configureBlocking(false);
        
        // 连接指定的端口
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(PORT);
        socketChannel.connect(address);
        
        Selector selector = Selector.open();
        
        // 向Selector中注册感兴趣的事件
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
        
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while(true){
            selector.select();// 连接
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();//获取连接
            System.out.println("selectedKeys.size:"+selectedKeys.size());
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectedKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                
                if (key.isConnectable()) {
                    socketChannel.finishConnect();
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
                    System.out.println("server connected...");
                    break;
                }
                else if(key.isWritable()){
                    System.out.println("please input message:");
                    String message = scanner.nextLine();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes("UTF-8"));
                    socketChannel.write(byteBuffer);
                }
            }           
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new NioClient().start();
    }   
    
}

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